金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠化行為的影響研究進(jìn)展

邵瑤瑤，趙 燕，徐明生，徐麗蘭，汪 雄，涂勇剛,*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省天然產(chǎn)物與功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；2.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047；3. 南昌大學(xué) 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047）

金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠化行為的影響研究進(jìn)展

邵瑤瑤1，趙 燕2,3，徐明生1，徐麗蘭1，汪 雄1，涂勇剛1,*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省天然產(chǎn)物與功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；2.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047；3. 南昌大學(xué) 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047）

凝膠化行為是蛋白質(zhì)的主要功能特性之一。蛋白質(zhì)凝膠化的形成受到多種理化因素影響，其中金屬離子是影響蛋白質(zhì)凝膠化行為的主要因素之一。本文在闡述蛋白質(zhì)凝膠化行為形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，綜述了金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、物化特性、聚集行為、分子構(gòu)象和主要分子作用力的影響，并對其研究價值進(jìn)行了展望，為進(jìn)一步深入研究金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠化的影響機(jī)理及提高蛋白質(zhì)凝膠制品的加工特性提供理論指導(dǎo)。

金屬離子；蛋白質(zhì)；凝膠化；聚集；分子構(gòu)象

蛋白質(zhì)是一種最常見的可用于食品加工的原料，具有如起泡性、乳化性和凝膠性等多種加工功能特性，其中蛋白質(zhì)的凝膠性能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)溶液“固化”形成一定秩序的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使蛋白質(zhì)凝膠具有獨(dú)特的質(zhì)構(gòu)特性。與此同時，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以吸附水分、脂肪、風(fēng)味物質(zhì)等食品成分，因此在豆腐、酸奶、果凍、皮蛋等凝膠食品的加工中應(yīng)用廣泛[1-4]。

蛋白質(zhì)凝膠產(chǎn)品特性的不同取決于產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)變性程度和蛋白質(zhì)含量[5]。金屬離子對蛋白質(zhì)上述兩種情況均會產(chǎn)生影響。一方面由于金屬離子所帶正電荷量和直徑大小不同，可改變蛋白質(zhì)間靜電排斥力或屏蔽蛋白質(zhì)的電荷，使吸引力和排斥力處于平衡狀態(tài)，顯著影響蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-溶劑之間的相互作用，從而影響蛋白質(zhì)的變性展開和聚集過程[6-8]。另一方面，離子強(qiáng)度對蛋白質(zhì)溶解度有顯著影響[9]，導(dǎo)致產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化，從而影響蛋白質(zhì)凝膠特性。此外，金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠中主要化學(xué)作用力和蛋白質(zhì)分子間巰基二硫鍵交換反應(yīng)均有重要的貢獻(xiàn)。因此，在蛋白質(zhì)食品凝膠的生產(chǎn)過程中，金屬離子作為誘導(dǎo)劑極為常見，如豆腐加工中使用的鹵水、腌制皮蛋使用的硫酸銅或硫酸鋅、奶酪加工中使用的氯化鈣等[10-12]。

基于金屬離子在蛋白質(zhì)凝膠食品中的廣泛應(yīng)用，本文對金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠化行為的影響方面進(jìn)行綜述，以期對提高蛋白質(zhì)凝膠制品的加工特性提供理論指導(dǎo)。

1 蛋白質(zhì)凝膠化行為

蛋白質(zhì)凝膠的形成可分為3 個過程。第一步蛋白質(zhì)分子在熱、壓力、酸、堿等條件下發(fā)生不同程度的變性展開，變性程度又與pH值、溫度、離子強(qiáng)度、離子種類和壓力等環(huán)境因素皆有關(guān)。第二步蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-溶劑間形成一定的相互作用，部分展開的分子鏈間相互連接。第三步蛋白質(zhì)發(fā)生聚集，形成較大分子的凝膠體。蛋白質(zhì)分子構(gòu)象和分子間相互作用的變化均會對蛋白質(zhì)分子鏈的連結(jié)和聚集產(chǎn)生顯著影響，從而影響凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成和致密程度[13]。

凝膠化是變性蛋白質(zhì)分子在一定作用力條件下有秩序地發(fā)生聚合，最終形成一個持續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過程。一般而言，蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架的形成依賴于氫鍵、疏水相互作用和一些靜電相互作用等非共價鍵和二硫鍵等共價鍵[5]。由于蛋白質(zhì)種類、外界環(huán)境和形成并維持蛋白質(zhì)凝膠的作用力種類和數(shù)量的不同，形成的凝膠特性會有顯著的差異。外界環(huán)境如pH值、溫度、壓力和離子強(qiáng)度等外部因素均會在一定程度上影響內(nèi)部因素如疏水性，靜電相互作用和二硫鍵，從而進(jìn)一步影響凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，其中金屬離子是影響蛋白質(zhì)凝膠化行為的主要因素之一[13]。

2 金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性的影響

對各類蛋白質(zhì)凝膠的研究中發(fā)現(xiàn)，金屬離子的種類和濃度均對蛋白質(zhì)凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和一些物理化學(xué)特性如持水性、風(fēng)味、色澤和質(zhì)構(gòu)均有顯著影響。

2.1 凝膠微觀結(jié)構(gòu)

在對凝膠微觀結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，金屬離子濃度的變化對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有影響，低濃度的（＜0.1 mol/L）一價金屬離子促使細(xì)密的束狀結(jié)構(gòu)形成，金屬離子濃度大于0.1 mol/L時，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得混亂無秩序[14]。同時發(fā)現(xiàn)，金屬離子種類的不同對蛋白質(zhì)分子凝膠的聚集過程和網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)程度影響也有很大的差異。二價離子如鈣和鋅的存在使凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為寬松且不規(guī)則。相比鉛離子而言，蛋白質(zhì)分子通過鹽橋發(fā)生高度聚合，金屬離子種類決定蛋白質(zhì)聚集的程度和模式，從而影響凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的致密程度[15]。與此同時，也有研究表明二價或多價金屬離子對蛋白質(zhì)分子聚合的影響較一價金屬離子更顯著，減少凝膠網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏松和不均勻[16-17]。

2.2 凝膠持水性

在一定的離子濃度范圍內(nèi)，增加離子濃度，能明顯增加蛋白質(zhì)的凝膠性和持水性，同時離子強(qiáng)度對于蛋白質(zhì)的水吸收度、溶脹和溶解度也有較大的影響[18]。但是，極高濃度金屬離子的加入使蛋白質(zhì)形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)混亂從而降低蛋白質(zhì)凝膠的持水性[19-20]。低濃度鹽能使蛋白質(zhì)形成的凝膠呈纖細(xì)絲狀，添加較高濃度的鹽則能使之形成顆粒狀結(jié)構(gòu)，凝膠結(jié)構(gòu)類型的不同，導(dǎo)致凝膠的持水能力、滲透能力、質(zhì)地和外觀也會有較顯著的變化[21]?？傮w上講，金屬離子在一定濃度范圍內(nèi)促進(jìn)蛋白質(zhì)形成好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于凝膠“網(wǎng)住”水分，但高濃度的金屬離子尤其是二價金屬離子易使蛋白質(zhì)凝結(jié)，不利于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，凝膠更易失水。

2.3 凝膠風(fēng)味與色澤

目前，金屬離子對凝膠色澤和風(fēng)味的研究極其薄弱，其研究范圍目前也僅限于皮蛋。Ganasen等[22]在研究皮蛋凝膠的過程中發(fā)現(xiàn)，皮蛋的風(fēng)味與腌制液中所添加金屬離子種類有關(guān)，添加鋅離子產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)種類和數(shù)量比鉛和鈣離子多。但由于相關(guān)文獻(xiàn)鮮見報道，對于金屬離子影響皮蛋凝膠風(fēng)味物質(zhì)的形成機(jī)理尚不清楚。金屬離子對蛋白質(zhì)的變性和凝聚過程均有影響，可能會對皮蛋腌制過程中形成各種不同的肽、氨基酸和氨產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致皮蛋風(fēng)味不同。Ganasen等[15]還研究了金屬離子對皮蛋蛋白顏色的影響，添加低濃度鋅離子、鈣離子和鉛離子的皮蛋蛋白凝膠相較于鉀離子和鎂離子有著更高的L*值（亮暗）和a*值（紅綠），L*值可能是由于蛋白質(zhì)發(fā)生了較高程度的聚合反應(yīng)導(dǎo)致較高的光散射效應(yīng)，而a*值的變化則可能是這3 種金屬離子更易促使美拉德反應(yīng)從而形成棕色色素。此外，皮蛋中含硫氨基酸降解生成硫離子和硫化氫，與銅離子和鐵離子等結(jié)合形成含硫化合物，會產(chǎn)生不同的顏色。然而，皮蛋顏色的產(chǎn)生極其復(fù)雜，其中包含的蛋白質(zhì)種類復(fù)雜多樣，金屬離子與多種物質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用影響還有待進(jìn)一步深入研究。

2.4 凝膠質(zhì)構(gòu)

許多學(xué)者已對金屬離子協(xié)同誘導(dǎo)下的蛋白質(zhì)凝膠強(qiáng)度進(jìn)行了大量的研究。Boyer等[23]對不同濃度離子條件下形成的兔肉肌原纖維蛋白凝膠的硬度進(jìn)行測定，低離子強(qiáng)度（0.2 mol/L KCl，pH 6.0）促進(jìn)蛋白質(zhì)溶液形成較軟的凝膠，而逐步增加離子強(qiáng)度（0.6 mol/L KCl）會使凝膠硬度增加。對于兔肌原纖維鹽溶性蛋白質(zhì)來講，凝膠硬度會提高的原因可能是隨著離子強(qiáng)度增加，蛋白質(zhì)的溶解度增加，更多蛋白質(zhì)可以參與凝膠的形成，改善凝膠質(zhì)構(gòu)。在其他蛋白質(zhì)如魚蛋白加工形成魚糜的過程中，金屬離子的添加在一定程度上增加魚糜凝膠強(qiáng)度。Ramirez等[24]發(fā)現(xiàn)氯化鈣對凝膠的機(jī)械特性產(chǎn)生顯著影響，添加濃度增大到一定程度時，形成的魚糜凝膠破斷力達(dá)到最大。添加鈣離子可以使魚肉蛋白凝膠強(qiáng)度顯著增大，是因?yàn)殁}離子可以激活魚肉蛋白中的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶促進(jìn)谷氨酸殘基中的γ-羧基酰胺基團(tuán)與其他氨基酸殘基之間交聯(lián)作用的發(fā)生，形成共價鍵從而使凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更牢固[25]。金屬離子的種類對蛋白質(zhì)凝膠硬度的影響各不相同，黃群等[26]探究了多種金屬離子對鴨蛋清蛋白凝膠的影響，鈉、鈣和鎂離子在一定濃度范圍內(nèi)對鴨蛋清凝膠硬度均有顯著的促進(jìn)作用，但二價的鋅離子和亞鐵離子隨著濃度的提高對凝膠的硬度起著一定程度上的抑制作用，鉀離子濃度變化對凝膠硬度則無顯著影響。

表 1 金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠微觀結(jié)構(gòu)和物化特性的影響Table 1 Effects of metal ions on the microstructure and physicochemical properties of protein gels

通過不同金屬離子對不同蛋白質(zhì)凝膠微觀結(jié)構(gòu)以及物化特性的比較（表1），金屬離子的種類和強(qiáng)度對于凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、持水性和硬度等特性方面均有較大影響，并且隨著蛋白質(zhì)成分越復(fù)雜，金屬離子對于蛋白質(zhì)凝膠的影響也越大。確定金屬離子對多種蛋白質(zhì)凝膠硬度均有十分顯著的影響，這對實(shí)際生產(chǎn)中改善凝膠品質(zhì)有重要的意義。此外，研究多種金屬離子的復(fù)配作用有利于蛋白質(zhì)凝膠制品新品種的開發(fā)，多方面滿足消費(fèi)者需。目前，關(guān)于金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠的風(fēng)味及色澤變化的研究甚少，其復(fù)雜的作用機(jī)理也僅是一些推測。蛋白質(zhì)凝膠作為食品，消費(fèi)者的選擇與其風(fēng)味和色澤均有很大關(guān)系，通過對金屬離子添加量和種類的調(diào)節(jié)，定向調(diào)控蛋白質(zhì)凝膠產(chǎn)品的風(fēng)味和色澤尚有待深入研究。

3 金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠聚集行為的影響

3.1 蛋白質(zhì)聚集類型

蛋白質(zhì)分子發(fā)生聚集現(xiàn)象是蛋白質(zhì)凝膠形成的表征之一。根據(jù)聚集方式的不同，凝膠大致可以分成兩類，一類是凝結(jié)塊（不透明）凝膠，另一類是透明凝膠。聚集的類型與蛋白質(zhì)的分子的形態(tài)有很大關(guān)系，除此之外，金屬離子也是改變凝聚類型的主要因素。Nakamura等[27]對大豆球蛋白的研究中發(fā)現(xiàn)，在低離子濃度的條件下，形成的大豆蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出致密有序的“念珠串狀”，一旦環(huán)境中的離子濃度較高時，則形成的凝膠是隨機(jī)聚集且粗糙的。而變性蛋白分子隨機(jī)凝聚的程度越高更可能形成凝結(jié)物而非凝膠[28]。金屬離子主要通過影響蛋白質(zhì)分子變性展開和重新聚合的速率來影響凝膠生成類型[29]。凝膠網(wǎng)絡(luò)具有一定程度上的秩序，如果蛋白質(zhì)分子發(fā)生變性的速率相較聚集的速率快，蛋白質(zhì)分子發(fā)生有秩序地聚合。一旦蛋白質(zhì)分子的變性速率小于或等于其隨意聚集的速率，蛋白質(zhì)會形成無序粗糙的凝膠結(jié)構(gòu)。Harwalkar[30]和Lakemond[31]等在卵轉(zhuǎn)鐵蛋白和大豆球蛋白的研究中均發(fā)現(xiàn)，金屬離子如鐵、鋁等離子可通過與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合、提高變性所需溫度、提高蛋白質(zhì)變性展開速率、降低蛋白質(zhì)聚集速率，從而有利于有序交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成。

3.2 濁度——聚集體含量

濁度反映蛋白質(zhì)聚集的程度，蛋白質(zhì)聚集后顆粒直徑變大，較大粒徑的聚集體與光線發(fā)生漫反射，溶液濁度升高。凝膠中可溶性聚集體的含量，隨著添加金屬離子種類和濃度的不同而產(chǎn)生顯著變化。通過對肉肌原纖維蛋白研究發(fā)現(xiàn)，隨著MgCl2濃度的添加，蛋白質(zhì)溶液的濁度會逐漸減?。浑S著CaCl2添加量的增大，蛋白質(zhì)溶液的濁度增大；然而隨著FeCl2濃度增大，蛋白質(zhì)溶液的濁度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢[32]。添加的金屬離子種類不同，肌球蛋白的聚集形態(tài)和大小不同，與金屬離子在感膠離子序的位置有關(guān)。金屬離子除了對肌原纖維蛋白聚集有影響之外，也對乳球蛋白和蛋清蛋白有較大影響。近十幾年來，金屬離子對β-乳球蛋白聚合的研究報道較多，發(fā)現(xiàn)Ca2＋、Zn2＋和Cu2＋均能在一定濃度范圍內(nèi)促進(jìn)蛋白的聚合，并推測可能形成蛋白質(zhì)-金屬離子聚集體，或者是改變了蛋白質(zhì)分子間的靜電斥力和疏水相互作用，誘導(dǎo)分子間的聚合[33-36]。Hongsprabhas等[37]在蛋清凝膠動力學(xué)機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，添加不同濃度的氯化鈣使冷固化蛋清凝膠的聚合程度不同。因此，不同類型的金屬離子其表面張力不同，與蛋白質(zhì)間的作用點(diǎn)和作用力各不相同，形成聚集體的大小和疏松性也不一致。

3.3 表面疏水性

蛋白質(zhì)是由氨基酸按一定順序排列組成的，大量疏水基團(tuán)包埋在天然蛋白質(zhì)分子中，其中一些疏水性氨基酸側(cè)鏈卻分布在蛋白質(zhì)的表面，使蛋白質(zhì)分子表面具有一定的疏水性。金屬離子促使蛋白質(zhì)表面疏水性下降，蛋白質(zhì)更易發(fā)生聚集形成凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，添加金屬離子腌制的蛋清蛋白表面疏水性下降，是因?yàn)榻饘匐x子使蛋白質(zhì)極性表面失水，增大蛋白質(zhì)分子間引力和減小分子間的負(fù)電荷排斥作用，促進(jìn)蛋白質(zhì)分子間的疏水聚集[38-40]?？妆ＨA等[41]通過不同鹽對鯉魚肌原纖維蛋白的研究，發(fā)現(xiàn)氯化鈉能顯著降低肌原纖維蛋白的表面疏水性，進(jìn)而使蛋白質(zhì)的溶解度增大。因此，在魚類制品的生產(chǎn)中，利用肌原蛋白更易溶于鹽溶液中的特性，進(jìn)而提高鹽溶性蛋白質(zhì)含量，增強(qiáng)魚糜制品的凝膠形成能力。

除此之外，在凝膠的結(jié)構(gòu)中，金屬離子對蛋白質(zhì)表面疏水性與疏水相互作用的影響可能呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，疏水相互作用是變性蛋白質(zhì)分子重新折疊的主要推動力，疏水相互作用越大，折疊越多，表面的疏水殘基被再度折疊起來，呈現(xiàn)出表面疏水性下降。

綜上所述，金屬離子通過影響蛋白質(zhì)分子聚集速率來影響凝膠形成的類型，并且金屬離子的類型和濃度的不同對蛋白質(zhì)分子聚集形態(tài)和程度的影響不同（表2）。金屬離子可以通過降低蛋白質(zhì)表面疏水性、增大蛋白質(zhì)在溶液中的溶解度，使蛋白質(zhì)濃度增加從而促進(jìn)蛋白質(zhì)分子發(fā)生的疏水性聚集。

表 2 金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠聚集的影響Table 2 Effects of metal ions on the aggregation behavior of protein gels

4 金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠分子作用力的影響

靜電相互作用、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵等分子間相互作用是形成和維持蛋白質(zhì)凝膠的主要作用力。天然蛋白質(zhì)在凝膠形成的過程發(fā)生變性聚集，不同類型分子間作用力在凝膠形成的多個過程中發(fā)揮各自不同的作用。

4.1 靜電相互作用

蛋白質(zhì)凝膠的形成與蛋白質(zhì)間靜電排斥力有著十分重要的聯(lián)系，金屬離子的加入會和帶相反電荷的蛋白質(zhì)基團(tuán)相互作用，從而形成一個電子集團(tuán)雙電層，削弱了蛋白質(zhì)分子間的靜電斥力，從而進(jìn)一步促進(jìn)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-溶劑間的相互作用，最終形成“半固態(tài)”的凝膠基質(zhì)。Yasuda等[42]認(rèn)為，單價和二價金屬離子都能屏蔽帶負(fù)電荷蛋白質(zhì)分子間的靜電相互作用。但由于二價較一價離子帶正電荷數(shù)多，所以一般添加低濃度二價金屬離子就能達(dá)到高濃度單價離子掩蔽蛋白質(zhì)負(fù)電荷的效果，因此同樣濃度條件下，二價金屬離子形成離子鍵的能力比單價離子更強(qiáng)。Park[43]在鈣離子對魚糜凝膠的研究中發(fā)現(xiàn)，鈣離子可以與相鄰魚蛋白分子間形成蛋白質(zhì)-鈣-蛋白質(zhì)交聯(lián)物從而形成具有一定強(qiáng)度的魚糜凝膠，在原始pH值（約7.0）條件下，魚糜中的肌原纖維蛋白是帶負(fù)電的，Ca2＋能在相鄰蛋白質(zhì)分子間的負(fù)電位置與蛋白質(zhì)發(fā)生配位形成離子鍵。

4.2 氫鍵

氫鍵是一類在凝膠體系中數(shù)量極大的弱偶極鍵，是蛋白質(zhì)分子形成蛋白凝膠以及維持凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一種重要分子作用力。有關(guān)凝膠形成過程中氫鍵的變化研究較多，但金屬離子在凝膠形成過程中對蛋白質(zhì)分子中氫鍵影響的研究卻甚少。在對肌原纖維蛋白凝膠的研究中發(fā)現(xiàn)，一價和二價金屬離子對凝膠中靜電相互作用和疏水相互作用產(chǎn)生了巨大的影響，但對氫鍵的含量影響較小[44]。然而在二級結(jié)構(gòu)中卻發(fā)現(xiàn)，有大量的氫鍵在α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)中，β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲中無氫鍵等相互作用[45]。許多研究表明金屬離子可以破壞α-螺旋結(jié)構(gòu)，促進(jìn)β-折疊結(jié)構(gòu)的形成。氫鍵的鍵能較弱，在凝膠形成過程中極易發(fā)生斷裂和重建，因此氫鍵含量即使沒有變化也不能否定氫鍵在凝膠形成過程中的重要作用。通過測定α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)含量的變化，也許更能體現(xiàn)出氫鍵的動態(tài)變化。與此同時，找尋新的有效方法直接測定結(jié)構(gòu)中的氫鍵含量尚有待研究。

4.3 疏水相互作用

疏水相互作用與凝膠的形成直接相關(guān)，在維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)上，疏水相互作用發(fā)揮著主要的作用。根據(jù)Larsson等[46]利用拉曼光譜對C—H鍵的峰位置和強(qiáng)度變化的測定，得出C—H鍵周圍環(huán)境的變化可能與加入不同濃度的氯化鈉后蛋白質(zhì)凝膠的疏水相互作用有關(guān)。金屬離子不僅會影響蛋白質(zhì)-溶劑間的疏水相互作用，還會影響蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間的疏水交互作用。Thawornchinsombut[47]發(fā)現(xiàn)在魚糜凝膠的加工過程中，由于高濃度鹽的加入，水分子會優(yōu)先與金屬離子結(jié)合，蛋白質(zhì)周圍的水分重新排列，蛋白質(zhì)間的疏水相互作用加強(qiáng)，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的變化。與此同時，由于加入氯化鈉改變凝膠內(nèi)部的靜電力和疏水相互作用使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致蛋清蛋白質(zhì)凝膠功能特性的變化[48]。金屬離子在蛋白質(zhì)凝膠形成過程中可使蛋白質(zhì)的疏水相互作用和分子構(gòu)象發(fā)生巨大變化，可以肯定這是金屬離子協(xié)同誘導(dǎo)蛋白質(zhì)凝膠形成的必須條件。

4.4 二硫鍵

蛋白質(zhì)或者肽中如果含有大量的半胱氨酸殘基，可以在變性蛋白質(zhì)分子二級結(jié)構(gòu)中形成二硫鍵，對穩(wěn)定蛋白質(zhì)凝膠結(jié)構(gòu)起著較大的作用。不同金屬離子對凝膠中二硫鍵的影響不同。陳立德[44]發(fā)現(xiàn)增加鎂離子和亞鐵離子添加量對二硫鍵含量的變化和蛋白凝膠強(qiáng)度均無顯著影響，影響凝膠強(qiáng)度的主要作用力也不是二硫鍵，但隨著鈣離子添加量的增大，蛋白凝膠的二硫鍵含量顯著增大，可見鈣離子對二硫鍵的形成有重要意義。然而就目前的研究而言，加入鈣離子促使凝膠二硫鍵含量增多的具體原因尚不明確。除此之外，金屬離子尤其是活潑的金屬離子的添加會使二硫鍵的含量下降。另外，也有研究表明二硫鍵含量的動態(tài)變化與蛋白質(zhì)中含硫氨基酸的含量有關(guān)，李樹青等[49]發(fā)現(xiàn)皮蛋在腌制的過程中，蛋清物質(zhì)中的含硫氨基酸可以降解產(chǎn)生硫離子。金屬離子能與含硫氨基酸中的巰基和降解產(chǎn)生的硫離子結(jié)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，消耗了巰基數(shù)量，阻止了巰基發(fā)生氧化轉(zhuǎn)化形成二硫鍵，最終導(dǎo)致二硫鍵含量減少。

由金屬離子對4 種作用力影響的研究可知，金屬離子濃度對作用力影響不是十分顯著，二價金屬離子相較一價金屬離子對蛋白質(zhì)作用力影響更大。其中鈣離子對靜電相互作用和二硫鍵的含量變化均有較大影響。

5 金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠分子構(gòu)象的影響

在凝膠形成的過程中，化學(xué)作用力變化的同時，蛋白質(zhì)構(gòu)象也發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)這些二級結(jié)構(gòu)以及二硫鍵等三級結(jié)構(gòu)的變化。金屬離子往往通過引起蛋白質(zhì)分子的分子構(gòu)象的變化，來改變蛋白質(zhì)分子的疏水聚集過程。相較于一價離子而言，二價金屬離子對蛋清蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的影響較為顯著，基本上與霍夫曼斯特離子序相符。Kato等[50]通過金屬離子對蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的研究，發(fā)現(xiàn)熱變性的卵白蛋白凝膠在氯化鈉濃度增加的情況下β-折疊含量增加，α-螺旋含量卻減少，金屬離子與蛋白質(zhì)的結(jié)合會提高變性溫度，溫度升高促使蛋白質(zhì)中的α-螺旋含量減少，β-折疊含量增加。夏瑩[40]的研究也發(fā)現(xiàn)金屬鹽能夠通過對蛋白質(zhì)分子間靜電作用的屏蔽和對溶劑中氫鍵含量的影響，使蛋白質(zhì)α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)完成向β-折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，β-折疊結(jié)構(gòu)促進(jìn)蛋白質(zhì)分子間發(fā)生更多的聚集和交聯(lián)，最終蛋清蛋白分子在熱誘導(dǎo)條件下發(fā)生變性聚集而形成高分子質(zhì)量的聚合物。但是，也有研究指出氯化鈉的添加對豬肉肌原纖維蛋白凝膠的二級結(jié)構(gòu)含量沒有影響[51]，這可能與蛋白質(zhì)分子種類不同有一定的關(guān)系。

二硫鍵構(gòu)象的變化對凝膠形成也有影響，利用拉曼光譜研究加鹽蛋白質(zhì)二硫鍵構(gòu)象的變化，發(fā)現(xiàn)二硫鍵的構(gòu)象隨著鹽濃度的增加而改變[52]。天然蛋白質(zhì)間二硫鍵的類型為扭式-扭式-扭式，形成魚糜凝膠中二硫鍵為扭式-扭式-反式，這種蛋白質(zhì)內(nèi)二硫鍵的構(gòu)象的改變可能更有利于凝膠穩(wěn)定。

金屬離子可通過摧毀蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)引起蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的變化，伴隨著金屬鹽濃度的增加蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)減少，β-折疊結(jié)構(gòu)增加。二硫鍵的形成能夠增強(qiáng)蛋白質(zhì)凝膠的之間的交聯(lián)作用，同時二硫鍵構(gòu)象的變化也是凝膠形成不可忽視的一個部分。目前，金屬離子對蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的變化研究只涉及較少種類蛋白質(zhì)，因此，金屬離子對其他種類蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的變化原因尚缺乏理論研究。

6 結(jié) 語

在蛋白質(zhì)凝膠化過程中，金屬離子影響蛋白質(zhì)分子變性展開、蛋白質(zhì)線性分子重排和聚集的程度，從而改變蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象和凝膠的部分化學(xué)作用力或與蛋白質(zhì)分子結(jié)合等方式，最終凝膠硬度、微觀結(jié)構(gòu)和持水性等特性得到較大程度的改善，其種類和濃度不同效果不同。但是，目前關(guān)于金屬離子對凝膠風(fēng)味及色澤的影響研究甚少，對其進(jìn)一步深入研究可為豐富蛋白質(zhì)凝膠產(chǎn)品提供理論基礎(chǔ)。另外，由于金屬離子對蛋白質(zhì)的作用機(jī)理極其復(fù)雜，因此關(guān)于金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠分子作用力、分子構(gòu)象的影響研究尚不完全清晰，可進(jìn)一步運(yùn)用各種現(xiàn)代儀器和化學(xué)分析手段闡明其對蛋白質(zhì)凝膠行為的影響機(jī)制。

[1] TANG C H. Effect of thermal pretreatment of raw soymilk on the gel strength and microstructure of tofu induced by microbial transglutaminase[J]. LWT-Food Science and Technology, 2007, 40(8): 1403-1409. DOI:10.1016/j.lwt.2006.09.006.

[2] LADJEVARDI Z S, GHARIBZAHEDI S M T, MOUSAVI M. Development of a stable low-fat yogurt gel using functionality of psyllium (Plantago ovata Forsk) husk gum[J]. Carbohydrate Polymers, 2015, 125: 272-280. DOI:10.1016/j.carbpol.2015.02.051.

[3] MOTOYAMA T, ASHIDA S. Mung bean protein gel composition and cheess-like food: WO/2014/156549[P]. 2014-02-10. http://www. freepatentsonline.com/WO2014156549A1.html.

[4] GANASEN P, BENJAKUL S. Chemical composition, physical properties and microstructure of pidan white as affected by different divalent and monovalent cations[J]. Journal of Food Biochemistry, 2011, 35(5): 1528-1537. DOI:10.1111/j.1745-4514.2010.00475.x

[5] TOTOSAUS A, MONTEJANO J G, SALAZAR J A, et al. A review of physical and chemical protein-gel induction[J]. International Journal of Food Science & Technology, 2002, 37(6): 589-601. DOI:10.1046/ j.1365-2621.2002.00623.x.

[6] ZHANG Z, YANG Y, TANG X, et al. Effects of ionic strength on chemical forces and functional properties of heat-induced myof i brillar protein gel[J]. Food Science and Technology Research, 2015, 21(4): 597-605. DOI:10.3136/fstr.21.597.

[7] 黃友如, 華欲飛, 裘愛泳. 大豆分離蛋白功能性質(zhì)及其影響因素[J]. 糧食與油脂, 2003(5): 12-15. DOI:10.3969/ j.issn.1008-9578.2003.05.004.

[8] BRYANT C M, MCCLEMENTS D J. Influence of NaCl and CaCl2on cold-set gelation of heat-denatured whey protein[J]. Journal of Food Science, 2000, 65(5): 801-804. DOI:10.1111/j.1365-2621.2000. tb13590.x.

[9] SUN X D, HOLLEY R A. Factors influencing gel formation by myofibrillar proteins in muscle foods[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2011, 10(1): 33-51. DOI:10.1111/ j.1541-4337.2010.00137.x.

[10] ARII Y, TAKENAKA Y. Initiation of protein association in tofu formation by metal ions[J]. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2014, 78(1): 86-91. DOI:10.1080/09168451.2014.877341.

[11] 卜紅宇, 馬美湖. 不同鋅鹽在皮蛋加工中的作用差異[J]. 食品科學(xué), 2011, 32(13): 136-144.

[12] 尤麗新, 楊柳, 馬井喜, 等. 花生乳牛乳新鮮干酪加工工藝優(yōu)化[J].食品科學(xué), 2011, 32(14): 346-349.

[13] CHEM A. Functionality and protein structure[M]. Washington DC: ACS Press, 1979: 81-103.

[14] FOEGEDING E A, BOWLAND E L, HARDIN C C. Factors that determine the fracture properties and microstructure of globular protein gels[J]. Food Hydrocolloids, 1995, 9(4): 237-249. DOI:10.1016/ S0268-005X(09)80254-3.

[15] GANASEN P, BENJAKUL S. Chemical composition, physical properties and microstructure of pidan white as affected by different divalent and monovalent cations[J]. Journal of Food Biochemistry, 2011, 35(5): 1528-1537. DOI:10.1016/j.lwt.2009.06.007.

[16] 劉西海. 金屬離子對蛋清蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響研究[J]. 中國家禽, 2012(1): 27-31. DOI:10.3969/j.issn.1004-6364.2012.01.008

[17] KUHN K R, CAVALLIERI A L F, CUNHA R L D. Cold-set whey protein-f l axseed gum gels induced by mono or divalent salt addition[J]. Food Hydrocolloids, 2011, 25(5): 1302-1310. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2010.12.005.

[18] STONE A P, STANLEY D W. Muscle protein gelation at low ionic strength[J]. Food Research International, 1994, 27(2): 155-163. DOI:10.1016/0963-9969(94)90157-0.

[19] HARWALKAR V R, KALAB M. Thermal denaturation and aggregation of β-lactoglobulin in solution electron microscopic study[J]. Milchwissenschaft, 1985, 40(2): 65-68.

[20] 徐幸蓮. 兔骨骼肌肌球蛋白熱誘導(dǎo)凝膠特性及成膠機(jī)制研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2003: 55-69.

[21] 程鵬. 牛乳清分離蛋白凝膠物化特性及其微觀結(jié)構(gòu)的研究[D]. 烏魯木齊: 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007: 20-24.

[22] GANASEN P, BENJAKUL S, KISHIIMURA H. Effect of different cations on pidan composition and flavor in comparison to the fresh duck egg[J]. Korean Journal For Food Science of Animal Resources, 2013, 33(2): 214-220. DOI:10.5851/kosfa.2013.33.2.214.

[23] BOYER C, JOANDEL S, OUALI A, et al. Ionic strength effects on heatinduced gelation of myofibrils and myosin from fast-and slow-twitch rabbit muscles[J]. Journal of Food Science, 1996, 61(6): 1143-1148. DOI:10.1111/j.1365-2621.1996.tb10949.x.

[24] RAMIREZ J A, RODRIGUEZ-SOSA R, MORALES O G, et al. Preparation of surimi gels from striped mullet (Mugil cephalus) using an optimal level of calcium chloride[J]. Food Chemistry, 2003, 82(3): 417-423. DOI:10.1016/S0308-8146(02)00594-0.

[25] YONGSAWATDIGUL J, PARK J W. Linear heating rate affects gelation of Alaska pollock and Pacific whiting surimi[J]. Journal of Food Science, 1996, 61(1): 149-153. DOI:10.1111/j.1365-2621.1996. tb14746.x.

[26] 黃群, 楊萬根, 金永國, 等. 鴨蛋清蛋白凝膠質(zhì)構(gòu)特性影響因素研究[J]. 食品科學(xué), 2014, 35(15): 68-71. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201415014.

[27] NAKAMURA T, UTSUMI S, MORI T. Network structure formation in thermally-induced gelation of glycinin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1984, 32(2): 349-352. DOI:10.1021/jf00122a042.

[28] TOMBS M P. Gelation of globular proteins[J]. Faraday Discussions of the Chemical Society, 1974, 57: 158-164. DOI:10.1039/ DC9745700158.

[29] TOMBS M P. Alterations to proteins during processing and the formation of structures[J]. Proteins as Human Food, 1970, 2013: 126-134. DOI:10.1016/B978-0-408-32000-9.50014-0.

[30] HARWALKAR V R, MA C Y. Thermal analysis of foods[M]. London, New York: Elsevier Science Publishers Ltd., 1990: 126-148.

[31] LAKEMOND C M M, DE JONGH H H J, PAQUES M, et al. Gelation of soy glycinin; inf l uence of pH and ionic strength on network structure in relation to protein conformation[J]. Food Hydrocolloids, 2003, 17(3): 365-377. DOI:10.1016/S0268-005X(02)00100-5.

[32] 張彩霞. PSE肉肌原纖維蛋白凝膠性質(zhì)影響因素的研究[D]. 重慶:西南大學(xué), 2009: 20-25.

[33] NAVARRA G, TINTI A, DI FOGGIA M, et al. Metal ions modulate thermal aggregation of beta-lactoglobulin: a joint chemical and physical characterization[J]. Journal of Inorganic Biochemistry, 2014, 137: 64-73. DOI:10.1016/j.jinorgbio.2014.04.003.

[34] STIRP A, RIZZUTI B, PANTUSA M, et al. Thermally induced denaturation and aggregation of BLG-A: effect of the Cu2+and Zn2+metal ions[J]. European Biophysics Journal, 2008, 37(8): 1351-1360. DOI:10.1007/s00249-008-0346-4.

[35] MUDGAL P, DAUBERT C R, FOEGEDING E A. Effects of protein concentration and CaCl2on cold-set thickening mechanism of β-lactoglobulin at low pH[J]. International Dairy Journal, 2011, 21(5): 319-326. DOI:10.1016/j.idairyj.2010.11.014.

[36] PHAN-XUAN T, DURAND D, NICOLAI T, et al. Heat induced formation of beta-lactoglobulin microgels driven by addition of calcium ions[J]. Food Hydrocolloids, 2014, 34: 227-235. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2012.09.008.

[37] HONGSPRABHAS P, BARBUT S. Effects of N-ethylmaleimide and CaCl2on cold gelation of whey protein isolate[J]. Food Research International, 1997, 30(6): 451-455. DOI:10.1016/S0963-9969(97)00068-9.

[38] WSZELAKA-RYLIK M, ZIELENKIEWICZ W. Enthalpy changes of salting processes of hen-egg white lysozyme in various electrolyte solutions[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2006, 83(3): 607-610. DOI:10.1007/s10973-005-7414-0.

[39] YANG S, BALDWIN R E. Functional properties of eggs in foods[M]. Egg Science and Technology. New York: Haworth Press Inc., 1995: 405-463.

[40] 夏瑩. 金屬離子腌制對蛋清蛋白結(jié)構(gòu)與特性的影響研究[D]. 武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011: 80-85.

[41] 孔保華, 李明清, 夏秀芳. 不同鹽對鯉魚肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)和凝膠特性的影響[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2011, 37(3): 50-55.

[42] YASUDA K, NAKAMURA R, HAYAKAWA S. Factors affecting heatinduced gel formation of bovine serum albumin[J]. Journal of Food Science, 1986, 51(5): 1289-1292. DOI:10.1111/j.1365-2621.1986. tb13107.x.

[43] PARK J W. Surimi and surimi seafood[M]. 2nd ed. New York: CRC Press, 2005: 237-265.

[44] 陳立德. 肌原纖維蛋白凝膠作用力影響因素的研究[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2010: 100-113.

[45] 楊萬根. 蛋清蛋白水解物的制備, 結(jié)構(gòu)及其生物活性的研究[D]. 無錫: 江南大學(xué), 2008: 55-57.

[46] LARSSON K, RAND R P. Detection of changes in the environment of hydrocarbon chains by Raman spectroscopy and its application to lipid-protein systems[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Lipids and Lipid Metabolism, 1973, 326(2): 245-255. DOI:10.1016/0005-2760(73)90250-6.

[47] THAWORNCHINSOMBUT S. Biochemical and gelation properties of fish protein isolate prepared under various pH and ionic strength conditions[D]. Corvallis: Oregon State University, 2004: 7-19.

[48] NAKAI S. Structure-function relationships of food proteins: with an emphasis on the importance of protein hydrophobicity[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1983, 31(4): 676-683. DOI:10.1021/ jf00118a001.

[49] 李樹青, 黃鵬, 王慶玉. 皮蛋加工貯存過程中蛋黃顏色變化機(jī)理研究[J]. 食品科學(xué), 1992, 13(2): 18-22.

[50] KATO A, TAKAGI T. Formation of intermolecular beta-sheet structure during heat denaturation of ovalbumin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1988, 36(6): 1156-1159. DOI:10.1021/jf00084a007.

[51] 韓敏義, 李偉鋒, 王鵬, 等. 拉曼光譜研究NaCl濃度對豬肉肌原纖維蛋白凝膠硬度的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2014, 28(12): 2192-2199. DOI:10.11869/j.issn.100-8551.2014.12.2192.

[52] BOURAOUI M, NAKAI S, LI-CHAN E. In situ investigation of protein structure in Pacific whiting surimi and gels using Raman spectroscopy[J]. Food Research International, 1997, 30(1): 65-72. DOI:10.1016/S0963-9969(97)00020-3.

A Review of Effects of Metal Ions on Gelation Behavior of Protein

SHAO Yaoyao1, ZHAO Yan2,3, XU Mingsheng1, XU Lilan1, WANG Xiong1, TU Yonggang1,*
(1. Jiangxi Key Laboratory of Natural Products and Functional Food, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China; 3. Engineering Research Centre of Biomass Conversion, Ministry of Education, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

Gelation is one of the main functional properties of protein. The gel formation of protein is affected by many physicochemical factors, and metal ion is one of the major factors affecting protein gelation behavior. The mechanism of the gel formation of protein is elaborated in this paper. Additionally, this article reviews the effects of metal ions on the microstructure, physicochemical characteristics, aggregation behavior, molecular conformation and main molecular forces of protein gels and the value of protein gelation for researchers is predicted in order to provide a theoretical guidance for further researches of the mechanism of action metal ions on protein gelation and the improvement of protein gel products.

metal ions; protein; gelation; aggregation; molecular conformation

10.7506/spkx1002-6630-201705048

TS253.4

A

1002-6630（2017）05-0299-06

邵瑤瑤, 趙燕, 徐明生, 等. 金屬離子對蛋白質(zhì)凝膠化行為的影響研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(5): 299-304.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705048. http://www.spkx.net.cn

SHAO Yaoyao, ZHAO Yan, XU Mingsheng, et al. A review of effects of metal ions on gelation behavior of protein[J]. Food Science, 2017, 38(5): 299-304. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705048. http://www.spkx.net.cn

2016-06-28

國家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（31460400；31360398）；江西省杰出青年人才資助計(jì)劃項(xiàng)目（20162BCB23031）；江西省青年科學(xué)家培養(yǎng)對象計(jì)劃項(xiàng)目（20153BCB23028）；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20151BBF60022）

邵瑤瑤（1993—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸づc貯藏。E-mail：1416265035@qq.com

*通信作者：涂勇剛（1979—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)榈捌房茖W(xué)與技術(shù)。E-mail：tygzy1212@aliyun.com